靜壓樁貫入特性對比試驗研究

梁國偉， 徐澤強， 林振華， 王波， 劉楠， 王炎杰

（1.中國鐵建投資集團有限公司，北京 100855；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；3.中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，太原 030024）

0 引言

多年來，人們對靜壓樁貫入受力狀態進行過大量研究，取得了不少研究成果。在理論分析方面，李鏡培等［1］分別采用柱孔擴張理論和基于SMP 準則改進劍橋模型的球孔擴張理論來計算樁側阻力和樁端阻力。Sagaseta 等［2］介紹了在無限不可壓縮介質中圓柱擴張的解析解，解決了塑性和彈性區域的大應變問題。在現場實測方面，張明義等、寇海磊等［3，4］通過樁端安裝自制壓力傳感器、樁身預埋光纖光柵傳感器的方法實測了壓樁力、樁側摩阻力及樁端殘余應力。馬海龍等、寇海磊等［5，6］通過原位試驗揭示了開、閉口樁的承載力時效機理，對比分析了開、閉口樁的承載力時效系數。為了更加明確靜壓樁沉樁過程中受力狀態，在室內試驗方面，李雨濃等［7］借助西澳大學的鼓輪式離心機對黏性土中不銹鋼閉口方樁在不同重力場下靜力壓樁過程樁側摩阻力分布情況進行了研究。Nicola等［8］借助離心機對均質砂土中的模型樁在動態和靜態荷載下的受力性能進行研究。在數值模擬方面，張曉健、周健等［9，10］從開口和閉口方面分別采用Adina、PFC2D等模擬軟件對端阻力和側摩阻力的發揮方式、砂土中管樁沉樁過程土塞形成機制進行了研究。葉建忠等［11］基于離散元理論通過顆粒流數值模擬的方法從細觀層面分析了不同樁徑、樁端形式對靜壓沉樁過程端阻力的影響。

目前國內外學者通過模型試驗對靜壓沉樁受力特性的研究主要集中于砂土中，然而在實際工程中，靜壓樁主要在黏性土中工作，因此，樁基工程設計需要準確考慮樁在黏性土中的受力特性。因此，文中通過模型試驗對比研究了黏性土中閉口靜壓沉樁受力特性。

1 試驗準備

1.1 試驗系統

試驗裝置采用自行設計的模型箱、加載系統和光電一體的數據采集系統。試驗所涉及的測試內容均采用FS2200RM和DH3816N進行數據采集，其中沉樁過程的采樣頻率為1s/次。試驗成功將可旋轉式輪輻壓力傳感器成功應用于模型樁樁端測試樁端阻力，試驗加載系統如圖1所示。

1.2 試驗土樣的制備

將現場粉質黏土通過烘干、粉碎、過篩、灑水和靜置使土體固結，如圖2所示。在正式進行室內壓樁試驗前，對模型箱中的土樣進行采樣，土樣屬于粉質黏土，呈可塑狀，具有中壓縮性，相對密度約為2.73，黏聚力為14.4kPa，內摩擦角為8.6°，壓縮模量為3.3MPa。

圖2 FBG傳感器的樁身布設圖（單位：cm）

1.3 模型樁介紹

模型樁為閉口鋁制材料，外徑140mm，壁厚3mm，兩根試樁長度分別為1200、1000mm。2根試樁均通過內六角螺栓與管樁樁端相連，管樁的具體參數如表1所示。

表1 模型管樁參數

2 試驗方案設計

為保證試驗順利進行以及便于觀察沉樁過程各試樁的受力狀態，試驗設計共進行2 根模型樁的沉樁試驗，沉樁深度分別為1100、900mm，沉樁速率均為300mm/min，樁身安裝FBG傳感器各6個，樁頂壓力傳感器各1 個，試樁A1 樁端安裝輪輻壓力傳感器1 個。FBG傳感器的樁身布設圖，如圖2所示，樁頂壓力傳感器如圖3所示，輪輻壓力傳感器如圖4所示。

圖3 樁頂壓力傳感器

圖4 輪輻式壓力傳感器

3 靜力沉樁試驗結果分析

3.1 沉樁過程受力性狀分析

試驗共進行了2 根模型管樁的靜力沉樁試驗，量測了沉樁過程中的壓樁力、樁端阻力、樁側摩阻力等，全面研究分析了靜力沉樁過程中試樁的受力狀態。其中，2根試樁的沉樁過程全荷載曲線如圖5所示。

圖5 各試樁沉樁全過程荷載曲線

從圖5 可以看出，試驗過程中2 根試樁的壓樁全過程壓樁力等荷載隨著沉樁深度的增加逐漸變大；試樁A1、A2 的整體變化趨勢相近，數值大小不同，分析主要是因為試樁A1、A2均為直徑140mm的閉口管樁，所以趨勢相近，但試樁A1 的端阻力由輪輻壓力傳感器監測，且兩者樁長不同，故數值不同。根據圖5可以整理得出每根試樁的樁端阻力、樁側阻力占壓樁力的百分比，見表2。

表2 沉樁結束時壓樁力占比百分比

由表2可得，靜力沉樁過程中，各試樁樁端阻力占壓樁力的比例從大到小依次為：A1＞A2；樁側摩阻力占壓樁力的比例從大到小依次為：A2＞A1。數據表明此次關于閉口管樁在黏性土體的靜壓過程，2 根試樁樁端阻力占比均過55%，說明樁端阻力承擔大部分壓樁力。

3.2 沉樁過程壓樁力分析

圖6為樁頂荷載與沉樁深度的關系曲線。從圖6可以看出，沉樁深度小于50cm時壓樁力增長較快，隨后增速變緩，說明隨著沉樁深度增大，土體密實作用越明顯，試樁貫入土體的速度減慢［12，13］。從圖中會可以看出，沉樁初期（0～20cm 的沉樁深度范圍內）試樁A2的壓樁力反而大于A1，分析對比，樁長因素起主導作用，說明沉樁初期，樁長越大，對樁周土體擾動越明顯，樁-土間相互作用被削弱。

圖6 靜力沉樁過程壓樁力變化

隨著沉樁深度的增大，試樁長的反而壓樁力大，沉樁結束時，試樁A1 比A2 高出12%，即每100mm 壓樁力高出0.18kN；樁長對沉樁終壓力的影響程度較大，分析認為樁長既影響樁端阻力又影響樁側總摩阻力［14，15］。

3.3 沉樁過程樁端阻力分析

圖7為樁端阻力與沉樁深度的關系曲線。從圖7可以看出，樁端阻力在深度約為10cm（約0.1 倍樁徑）處的變化趨勢有一定的轉折。樁長越長樁端阻力提高較大，樁長越短樁端阻力提高較小，且樁長短的樁端阻力提高早于樁長長的，增加荷載主要因土體表面存在硬殼層而產生，隨著沉樁深度的增加，樁端阻力逐漸增大，沉樁深度大于10cm后，試樁A1樁端阻力始終大于試樁A2。可能的原因是，土體深度越大，樁端破土沉樁需要的荷載越大，樁土作用造成樁端阻力明顯的提高［16］。沉樁結束時，試樁A1 比A2 高出17.6%，說明增加樁長對樁端阻力存在一定的作用效果。

圖7 樁端阻力變化曲線

3.4 沉樁過程樁側摩阻力分析

各試樁靜力沉樁過程中的總樁側摩阻力是由樁身表面粘貼FBG 傳感器并通過FS2200RM 光纖光柵解調儀測得的光纖的波長差。

圖8為試樁A1和A2在沉樁過程中樁側摩阻力的分布情況。可以看出，沉樁深度約在10～50cm 范圍內，試樁A1和A2樁側摩阻力均存在先增大后減小的趨勢，沉樁深度超過50cm 后，試樁A1 和A2 樁側摩阻力再次出現先增大后減小再增大的趨勢。同時可以看出樁長不會影響樁側摩阻力的分布形式，隨著樁長的增加，樁側摩阻力的分布形式基本沒有影響。當沉樁結束時，試樁A1和A2的樁側摩阻力分別為1.32kN和1.23kN。樁側摩阻力的分布總體上是隨著沉樁深度的增加而增加，原因是在整個沉樁過程中，隨著沉樁深度增加，樁土結合的更緊密，隨沉樁深度增加樁側摩阻力表現為持續增加［17］。

圖8 靜力沉樁過程總樁側摩阻力變化

4 結語

文中通過室內模型試驗研究了黏性土中不同樁長靜壓沉樁受力特性，得出結論如下：

（1） 通過樁身安裝多種測試元件成功測得靜壓樁貫入力學特性，成功將可旋轉式輪輻壓力傳感器成功應用于對樁端阻力監測。

（2） 沉樁結束時，樁長對沉樁終壓力的影響程度較大。沉樁深度增大，樁側摩阻力高出27.7%，說明樁長是影響樁側摩阻力發揮的重要因素。

（3） 試樁A1 和A2 靜壓沉樁產生的樁端阻力和樁側摩阻力，均隨著沉樁深度的增加表現為持續增加。